※ [本文转录自 Hiking 看板 #1J0ORKNs ] 作者: rextsai (Rex Tsai) 看板: Hiking 标题: [情报] 关於卫星导航系统的两三事 时间: Mon Feb 17 11:47:56 2014 线上好读版: http://blog.nutsfactory.net/2014/02/17/about-gps-tracker/ 大约是 2008 年的时候，为了 [1]OpenStreetMap 活动，跟着 [2]KaLUG 团购，一起买了 [3]HOLUX M-241，当时大部分行动装置并没有内建 GPS，只有某些高单价的 PDA 有全球定 位系统功能。相对 M-241 在当时的市场性价比很高，使用 MTK 技术，很惊讶居然到目前 为止仍[4]持续销售。实际使用上经历一些技术问题 1. 使用的 MTK 协定有相容问题，当初使用 mtkbabel 无法汇出，必须给点小 patch. 但 是已经比其他的 logger 来的容易使用。 2. 纪录的轨迹有严重的[5]漂移问题，增加了一些後制处理的困扰。 3. 电池插槽容易[6]松脱重置，造成装置一直关机或重开，非常恼人。 後来又陆续买了 [7]Garmin Dakota 20, [8]Nokion AW100, 智慧型手机 iOS, Android 等 等包含 GPS 功能的装置来纪录轨迹。这篇文章分享一些个人对於卫星定位系统的理解，希 望可以帮助其他朋友采购的作为参考依据。 评估要件 这几年的 GPS 装置的入手价格越来越低，参与 OpenSteetMap 的门槛也越来越低。有些朋 友想购买新的 GPS 装置，来纪录踏查轨迹，到底购买的时候要考量哪些产品条件？以下是 我认为构成一个好产品的评估要件 o 准确性 (Accuracy) o 用电量 (Power consumertion) o 操作界面 (User interface design) o 防水性 (Water proof) o 耐用性 (Durability) 这些条件取决於产品定位与设计。当然，准确性是最主要的评估要件，而硬体本身就是最 大的局限，从技术面来分析，大约可以分成[9]下面几项 o 接收晶片 (Receiver chip) o 无线接收 (RF design) o 软体/韧体设计 (Firmware) o 辅助仪器 (Sensors) 以下逐一讨论。 接收晶片 (receiver chip) 从过去 GPS Receiver Chip 通常是一棵独立的元件，到现在行动装置流行的市场，卫星定 位系统已经逐渐变成整合进 [10]SoC 的基本功能。[11]卫星定位系统 (Satellite navigation) 远在约 20,000km 以外的卫星轨道，[12]定位讯号广播穿送到地表後，强度 约在 -125dBm to -130dBm. 在接收到卫星传送的[13]导航资讯之後，接收器会得到以下的 资讯 o 卫星星历 ([14]Almanac) ，可用以计算所有的[15]卫星大略位置，至少六天更新一次 。 o 星历表 (Ephemeris), 计算卫星位置，通常每两小时更新一次。 o 时间与时钟误差资讯。 o 卫星健康状态资讯。 o 电离层资讯。 在讯号抵达地表成功判读前，有许多[16]原因会造成误差，其中天气与量测环境是最容易 影响收讯的因子 o [17]大气效应 (Atmospheric Effects)，讯号穿越时会受到干扰延迟，理论上 70 ns 的大气延迟将产生约 10 公尺的残余误差 (Residual error)。 o 气候造成湿度提高、能见度下降。也会影响讯号延迟与强度。 o 多重路径误差 (Multipath effects) o 星历表 (Ephemeris) 与时间误差 这些 RF 误差需要再[18]处理，像是常见的因为建筑物或地面造成讯号反射误差，可以用 [19]Narrow Correlator Spacing 来处理，大气效应产生的[20]电离层误差也可以透过韧 体来做修正。然评估晶片效能，优先考虑的是[21]灵敏度 (Sensitivity)，感度越高，越 能处理微弱的讯号，在室内或遮蔽时有显着的差异，另外新型晶片设计也可以抑制多重路 径误差，提高准确度。更新频率 (Update rate /Fix Rate)，这是指从感应晶片传过来的 频率有多高，通常是一秒 1 点到 10 点间 (1-10 Hz)，例如 M-241 可[22]程式化成 1 到 5Hz. 一般登山步行一秒一点很够用，但是如果你用来纪录赛车或无人飞行器轨迹，就会发 现精度不足罗。卫星系统会发出数种无线电[23]讯号频道，这些频道各带有不同的资讯。 要完成定位功能，只需要 L1, L2 频道。L1 频道中带有捕获码 aka (C/A, Coarse/ Acquisition Code) 与测距码 (P码)，若支援 L2 频道之资料，则可[24]计算出[25]电离 层全电子含量（Total Electron Content, TEC) 所造成的延迟，或是使用於 [26]OPUS 等 [27]GPS post-processing service 系统提高定位准确度。但受到美国军方管制，一般民 用定位系统只支援 L1 (1575.42Mhz±5MHz, GLONASS 1602±8MHz)。但即便无法对 L2 解码 ，民间定位系统仍可以[28]分析载波 (carrier wave) 的方式进行即时动态测量 ([29] Real Time Kinematic correction)，估算[30]大气效应误差。因应民用需求，[31]2005 年後，新的 [32]Block-IIR-M GPS 卫星会送出 [33]Civilian L2 (L2C) 讯号，但要到 2016 年後 [34]Next Generation Operational Control System (OCX) 才正式启用。上述 系统谈的是美国 [35]NAVSTAR Global Positioning System (GPS)，在 2013 年四月前， 全球定位系统只支援 NAVSTAR，但现在市场已经有 Russian 的 [36]GLONASS 系统可用。 另外在 2020 年还有中国的[37]北斗卫星导航系统、欧洲的 [38]Galileo 系统。现在新款 的晶片也可以支援 Multi-[39]GNSS，市面上的手持产品有 Garmin [40]eTrex 等，至於手 机产品如 [41]Qualcomm Snapdragon 400 等也同时支援 [42]GPS 与 GLONASS. 另外一个 值得考虑的是晶片可以支援的处理频道数量，理论上只要三个卫星就可以计算出平面定位 ，取得四颗卫星能取得 [43]3D 定位。也就是说，装置最低需要同时处理四个 L1 频道讯 号。但是在成功取得定位前，装置必须搜索所有可能讯号，以找出最接近的卫星，在[44] 首次定位前，同时间能够处理的卫星讯号数越多，[45]首次定位也就越快、越省电，定位 之後也能有效率的锁定卫星讯号。以前只有美国系统，加上地表角度，天空最多同时可以 看到一打以内的卫星，所以大概只需要十二组频道。但是若加上俄国等系统，你也就需要 更多的「处理频道」。简而言之，[46]处理频道的益处是减短定位时间、减少因遮蔽失去 讯号的机会、提高省电。但必须认识的是，处理频道是很容易误解的销售词汇，各家厂商 定义不同。要注意产品规格上说的处理频道是支援 L1, L2, 那些卫星系统、哪些辅助定位 系统。千万小心那些灌水的数字。 无线接收 (RF design) 除了晶片性能外，另外一个严重影响接收能力的是无线射频接收设计，卫星讯号在抵达晶 片前，会通过[47]天线、[48]射频前端模组等，然後才会转成[49]中频进到数位处理的阶 段。由於全球定位系统的频谱位於 [50]VHF 频段，与 [51]ANT、电信网路、蓝牙或无线网 路不同，使用独立的[52]接收天线，在小型的装置上常见使用平板天线 ([53]patch antenna)，专业一点的手持装置则可能选用四臂螺旋式天线 (Quadrifilar Helix Antenna)，看起来像是传统黑金刚的大型天线，收讯效能比平板天线好。不同的天线设计 造成优劣有别的[54]增益效果，不过技术演进使晶片感度大幅提昇，处理讯号反射误差等 等能力提高，在开阔环境效能可能十分接近，但是若是大楼林立的都市环境或树林中，才 会看出明显差异。有些手持式卫星定位系统甚至保留外接接头，可以外接主动式天线来提 高收讯效果。例如装於汽车上，为了避免车厢金属屏蔽，可以拉线到车辆外面，但必须注 意天线的线路会因为长度增加增加衰减。通过天线进入[55]射频前端模组时又可再分成以 下几个元件来评估。 o 低噪音放大器 ([56]Low Noise Amplifier) o 滤波器 (Filters) o Down Convertor. o 时脉 (Clock) o RF Circuit Layout. 通过天线，进入 RF Front end 後会依序进入上述元件进行讯号增强、过滤、转换，但这 些元件皆已经高度模组化，使用者很难从外观去判断[57]性能差异或是进行客观的评估， 毕竟缺乏测试设备，也难以独立的对每个元件进行测试，但是只要其中一个元件设计失误 ，就会影响使用效能。特别是整合到电路板上後造成的讯号[58]干扰[59]问题，在在考验 制造商的工艺技术。前提是制造商愿意重视数位定位的性能。由於目前在智慧型手机，许 多使用者的用途都是在室内打卡、查询附近路径，大部分的时候只要垄统的位置资讯即可 满足，更重要的是电话通信的讯号必须良好。也因此卫星定位的天线的优先值总是被排到 最後，而且依照市场需求，外型是消费者采购的优先考量，为了配合机构设计，天线可能 会移到勉强可用的位置。也因此，有些手机必须手持萤幕朝向脸部才能够成功定位。甚至 有些产品是没有经过严谨测试就上市了。像是 2012 年推出的 [60]ASUS Eee Pad Transformer Prime，大胆采用金属外壳，结果导致 [61]GPS 功能无法接收讯号失效。金 属会屏蔽电波讯号，请不要再弄清楚手机天线位置前随便安装金属制造的外框阿。 软体/韧体设计 (Firmware) 谈完了[62]基频处理的硬体，接下来来谈谈韧体。全球定位系统有许多可以缩短定位时间 或提高定位精准的技术，这些技术并非全部在韧体中，也可能以软体导航实作，许多技术 也需要依赖硬体的资讯才能完成。以下逐一讨论 o [63]Assisted GPS o [64]全球卫星导航增强系统 (GNSS Augmentation System) o [65]惯性导航系统 (Inertial navigation system) Assisted-GPS Assisted-GPS 或 A-GPS 是第一个最容易让人混淆的的名词了，最基本的概念是不从卫星 抓取卫星星历 ([66]Almanac) 与星历表 (Ephemeris)，而是透过 IP 网路或离线取得可用 的星历资料，甚至透过其他技术预先取得大致位置，再利用此粗估位置推算可见卫星，避 免缓慢的[67]猜测行为，如此就可加速[68]第一次定位的时间。若没有预先快取的星历资 料，就必须等待定位时透过卫星讯号下载，如此会增长第一次定位时间。若关机一段时间 ，星历资料已经过期，也必须重新下载 (cold start)。容易令人混淆的是在[69]电信网路 协定中，除了使用 TCP/IP 最多采行的 OMA 协定 [70]"Secure User Plane Location" ( [71]SUPL) aka Mobile Station Based 外，还有另外一种 Mobile Station Assisted, Control Plane Protocol 则是透过基地台计算行动电话位址，然後将位址资讯传送回手机 。这两种技术是完全相反的。除了透过电信网路的协定外外，在 Android 的 [72]GPS HAL 中，你也可以发现有 XTRA 支援的 [73]API，可以透过网际网路下载星历资料，然後再其 他的 [74]Geolocation 系统透过 WiFi ESSID 或 Cell ID 取得约略位址，喂回给 GPS 以 加速定位速度。然而 XTRA 是 [75]Qualcomm 的技术，其他晶片厂商各有不同的作法，如 MTK 则叫做 EPO (Extended Prediction Orbit)。在有线上资源的加持下，手机在首次定 位的速度常常赢过手持式 GPS 装置。像是 Garmin 的装置，若你拜访另外一个国家，它常 常会只利用上次使用的快取搜寻卫星，导致非常第一次定位非常久。协定与方式不同，但 是都是透过线上网路取得星历与粗略位置。也有产品是使用离线星历的方式，像是我手上 持有的 Nikon AW100 三防相机，就支援离线 [76]aGPS，Nikon 的星历只有七天，每七日 得重新下载进 SD Card，并从相机选单中更新资料至卫星定位模组。 全球卫星导航增强系统 (GNSS Augmentation System) [77]全球卫星导航增强系统 (GNSS Augmentation System) 是利用[78]差分全球定位系统 (Differential GPS, DGPS) 技术，简单讲是在地面设立数个参考基站，由於基站位置是固 定的，因此可以透过差分改正（Deviation Correction) 推算大气延迟、时钟漂移 (clock drift)。这种增强系统又分为卫星式系统 (satellite-based augmentation system, SBAS) 与陆地系统 (Ground-based augmentation system, GBAS). 卫星式系统又称为 WADGPS, wide-area DGPS，是将陆地基站的资讯再透过卫星广播出去。其中比较知名的是 欧洲 [79]European Geostationary Navigation Overlay Service (EGNOS)、日本的 [80] Multi-functional Satellite Augmentation System (MSAS)、美国的 [81]Wide Area Augmentation System (WAAS)，像 WAAS 为例子，可以定位到[82]平面 1 公尺、垂直 1.5 公尺的精确度。由於使用的频段一致，可以以韧体实作不需要额外的无线接收硬体，不少 产品支援 WADGPS。至於陆地系统 (Ground-based augmentation system, GBAS) 使用的频 谱不同，一般民用消费性产品并不支援。 惯性导航系统 (Inertial navigation system) 另外一个有显着差别的是[83]惯性导航系统 (Inertial navigation system)，由於定位时 时常会通过林木遮蔽处或隧道等环境，此时会遗失卫星讯号，部份系统的作法是在重新取 得定位前，不予纪录。但是也有作法是利用利用辅助感应器 (Sensors) 的情报来做[84]航 位推算 (Dead Reckoning, deduced reckoning)[85]。一般在定位系统或智慧型手机上常 可看到以下感应器 o [86]气压计 (Barometer) o [87]电子罗盘/磁力感测器 (magnetic sensor) o [88]陀螺仪 (Gyroscope sensor) o [89]加速计 (Accelerometer) o [90]记步器 (Pedometer) o 踏频、轮圈转速等 这些感应器可以提供高度、方向、加速度、角速度、速度等移动资讯，透过这些资讯即可 以惯性推算运动的位置。当然准确度是很可疑的，但是可以作为暂时遗失讯号的备用机制 ，弥补无法录记轨迹的问题。部份民用卫星定位系统支援惯性导航功能。 其他注意事项 市面上的产品大致可以分为三类 o 记录器 (Logger) / 手表 (GPS Watch) o 智慧型手机 (Smart Phone) o 卫星导航系统 (Handheld GPS) 若要购买专门的器材，第一优先依照使用需求购买，市面产品多样，有适合方便跑步纪录 的手表、自行车等专用产品，产品大小对於运动类型有很大的影响，某些自行车专用可以 顺便纪录踏频、轮圈，都已经整合妥当，使用起来也比较方便。特别注意某些旧款产品能 收的处理频道较少、或是没有数位罗盘功能，这都会造成定位较慢或不容易使用。像是 HOLUX M-241 就没有数位罗盘，功能中的行进方向是透过轨迹计算出运动方向。如果会进 行两天以上深山的行程，可能会进入浓雾、大雨的恶劣气候中，而且无法当天撤退，笔者 建议购买防水的手持式卫星导航系统，最好是附有四臂螺旋式天线的产品。因为在山中， 必须用到卫星定位系统就是视线不良，无法透过地图判读与目标定位。特别是天候状况不 佳、攸关性命时，你不会希望拿出一个可能进水损坏，或只有特定角度收的到讯号的装置 出来。若是轻松且避开恶劣天候的行程，手机可以取代大部分的 GPS 功能，而且性能强大 ，拨看地图效率远比传统手持定位系统好。无论是 [91]MTK 平台或是 [92]Qualcomm，卫 星定位功能皆已整合，Qualcomm 平台宣称可以精准至 2 公尺 (应搭配 WADGPS) 精确度与 省电比起两三年前大幅提昇许多。但是购买时，仍须注意产品的无线接收设计，如果以性 能为优先考量，就别考虑好看的金属外壳机种吧。使用上必须注意的是手机有[93]数种定 位方式，可以透过网路 (WiFi, Cell Id) 或是 GPS 讯号，但由於 GPS 讯号往往定位较慢 且耗电，许多开发者会使用预设的网路定位方式，这会造成切换电信基地台或收到其他无 线网路基地台时，产生漂移的问题，也因此我们会看到[94]迷路的悲剧。若要导航使用， 建议使用专门的软体，像是 [95]OruxMaps，功能强大也可以预载离线地图，以免没有网路 可存取线上图资系统。除了参考本文写的各项要点外，在购买的时候，规格上常常会写一 些令人困惑的精确度，例如 [96]Garmin Dakota 20 <10公尺,95%、RMS、Typical，无S/A干扰下，单机定位 这是指，这个测量有 95% 的信心度，[97]RMS 指大约有 [98]63%-69% 是在十公尺之内的 精确度。无 S/A 干扰指无美国的误差干扰 [99]Selective availability，这项干扰措施 已经於 2000 年 5 月停止，单机定位指没有利用 DGPS 的定位增强系统定位。这个测试应 该是在开阔区域进行，若进入如在深谷中，由於收到讯号的[100]角度太窄，更容易产生计 算误差，要小心地形所造成的误差，不能只看表面规格。很遗憾，市场上没有手机在规格 上标明卫星定位精确度。另外则是纪录轨迹的精度功能，其实一般通用的 [101]GPX (GPS Exchange Format) 档案格式可以包含精度情报，例如定位的类型 (fix) 是 2d, 3d 还是 DGPS, 收到几颗卫星 (SAT), 精度因子 ([102]Dilution of precision, DOP) 等。定位时 可能产生的错误太多，就算可以收到数颗卫星资讯，推算过程中必定产生误差，精度因子 是透过卫星的位置算出可能的错误范围，藉此可以得知该轨迹点的可信赖度。仍而一般户 外休闲用手持卫星追踪装置并未提供此资讯，另外在手机，如果直接使用[103]标准程式界 面，精确度也会被转换成以[104]公尺为距离的误差。能够取出完整资讯的只有 [105]NMEA 格式，但 NMEA 需要再次被处理过才好分享给其他软体使用。无论是使用手机或专门导航 系统，记得要多带电池。多日行程也请携带纸本地图与指北针。电子产品有可能失效，而 多个小事故累积起来往往会产生悲剧。 Ref o National Marine Electronics Association - NMEA [106]http://www.nmea.org/ o An Introduction to GNSS | Chapter 4 - Real-Time Kinematic | NovAtel [107] http://www.novatel.com/an-introduction-to-gnss/ chapter-4-advanced-gnss-concepts/real-time-kinematic-rtk/ o Fw: [心得] 爬山不要完全相信手机地图GPS - 看板 Hiking - 批踢踢实业坊 [108] http://webptt.com/cn.aspx?n=bbs/Hiking/M.1380538573.A.408.html o GPS explained: Position Determination [109]http://www.kowoma.de/en/gps/ positioning.htm o GPS 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